Reforço de ligações tradicionais de madeira

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Sara Isabel Ferreira Barbosa

Reforço de ligações tradicionais de madeira

Sara Isabel Ferreira Barbosa

novembro de 2015 UMinho | 2015 R efor ço de ligações tr adicionais de madeir a

Universidade do Minho

Escola de Engenharia

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novembro de 2015

Dissertação de Mestrado

Ciclo de Estudos Integrados Conducentes ao

Grau de Mestre em Engenharia Civil

Trabalho efectuado sob a orientação do

Professor Doutor Manuel Branco

Eng. Filipe Ferreira (A.O.F)

Sara Isabel Ferreira Barbosa

Reforço de ligações tradicionais de madeira

Universidade do Minho

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Agradecimentos

iii

Agradecimentos

A realização desta tese de dissertação, embora seja um trabalho do foro pessoal, teve a contribuição de inúmeras pessoas aos quais de seguida irei agradecer.

Ao meu orientador, professor Jorge Branco, o meu agradecimento pela partilha de conhecimentos, pela orientação e disponibilidade para levar a cabo a realização deste trabalho.

Ao meu co-orientador, Eng. Filipe Ferreira, e aos colaboradores da A.O.F. agradeço o acompanhamento e ensinamentos partilhados na visita às obras com estruturas de madeira em reabilitação.

Pelo apoio prestado durante a realização do trabalho experimental, agradeço ao Karel Šobra e aos técnicos de laboratório do Departamento de Engenharia Civil. À empresa A.O.F. agradeço também o fornecimento das amostras e material de reforço das ligações ensaiadas.

Agradeço à Engª. Catarina Vilaça Silva pela sua ajuda e disponibilidade na transmissão de conhecimentos acerca dos programas Sketchup e CorelDRAW, necessários à realização dos esquemas presentes na tese.

Agradeço aos meus amigos e colegas de percurso por todos os momentos e conhecimentos partilhados ao longo do curso.

Quero agradecer também aos que me são mais próximos, amigos e familiares, pelo carinho e motivação demonstrado pelo trabalho por mim desenvolvido.

Aos meus pais e irmão, que acompanharam de perto a evolução do meu percurso, agradeço o apoio e ajuda prestada ao longo destes anos.

Por fim, agradeço de forma especial ao João Costa, pela sua amizade, incentivo e motivação na conclusão deste trabalho e ao longo de todo o percurso.

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Resumo

v

Resumo

As estruturas de madeira antigas são formadas por um conjunto de elementos, ligados entre si através de ligações tradicionais, onde as tensões são transmitidas através das superfícies de contacto. A concepção das ligações, que resultam do processamento das superfícies de contacto, implica, caso não haja ligadores metálicos que impeçam o desencaixe dos elementos ligados, que a ligação mantenha o estado de tensão nas superfícies em contacto para o qual foi dimensionada, de modo a garantir a integridade da ligação e da estrutura.

Existem diferentes tipologias de ligações tradicionais, que foram evoluindo com a complexidade das estruturas, as quais se podem enquadrar em quatro grupos: entalhes, empalmes, cruzamentos e acoplamentos. Os entalhes resultam da união de elementos de madeira em ângulo, através de um sulco em forma de “V” nas superfícies de contacto, com ou sem respiga. Os cruzamentos correspondem à união de dois elementos de madeira através do seu corte, garantindo que a espessura da ligação seja a mesma que a do membro com maior espessura, e sobreposição perpendicular ou oblíqua. Por sua vez, os empalmes resultam da união, topo a topo, de dois elementos de modo a aumentar o comprimento longitudinal do elemento. Por fim, o acoplamento corresponde à junção lateral de dois ou mais elementos de madeira de modo a aumentar a secção transversal.

A falta de conhecimento e a dificuldade em compreender o comportamento das ligações tradicionais existentes nas estruturas de madeira conduz, frequentemente, à substituição das estruturas de madeira ou a reforços excessivamente conservadores. É, portanto, crucial ter em conta o comportamento das ligações, nomeadamente os modos de rotura e patologias existentes, para proceder à sua reparação ou reforço. Além disso, tendo em conta a diversidade de técnicas de reforço, importa escolher e aplicar a que melhor se adequa à ligação em causa.

A campanha experimental realizada em ligações com dente simples teve como objetivo avaliar o comportamento da ligação e respectivo modo de rotura, à medida que o comprimento ia variando (diminuindo), dado que existe um comprimento mínimo abaixo do qual se podem desenvolver tensões de corte. Por fim, algumas das amostras foram reforçadas com parafusos auto-perfurantes, com o objetivo de prevenir o mecanismo de falha que dominou o comportamento das ligações sem reforço e avaliar o comportamento da ligação.

Palavras-chave: Ligações tradicionais de madeira; dimensionamento; patologias; reparação;

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Abstract

vii

Abstract

The old timber frame is formed by a set of elements interconnected through traditional bonds, where the tensions are transmitted through contact surfaces. The design of traditional joints, which result from processing of the contact surfaces, means if there is no fasteners to prevent the undock of the elements, that the joint keep the state of tension in the contact surfaces for which was dimensioned to ensure the integrity of the connection and structure.

There are different types of traditional joints, which were evolving with the complexity of the structures, which fall into four groups: notched joints, lap joints, scarf joints and coupling joints. The notched joints correspond to the union of elements of wood at an angle, through a groove in the shape of a "V" in contact surfaces, with or without the tenon. The lap joints correspond to the union of two wood elements through its cut, ensuring that the thickness of the connection is the same as that of the state with the greatest thickness, and overlap perpendicular or oblique. In turn, the scarf joints result, end to end, the two elements in order to increase the longitudinal length of the element. Finally, the coupling joints correspond to the lateral joining of two or more wood elements in order to increase the cross section.

The lack of knowledge and difficulty to understand the behavior of the existing traditional joints in the timber structures, often leads to the replacement timber structures or excessively conservative reinforcements. It is therefore crucial to take into account the behavior of the joints, including the modes of failure and pathology existing, for its repair or reinforcement. Besides, taking into account the diversity of strengthening techniques, it is important to choose and apply that best fits the connection in question.

The experimental campaign realized in front notch joint had as objective to evaluate the behavior of the joint and its failure mode, as the length ranging (decreasing). Given the fact that there is a minimum length below which it can develop shear stresses. Finally, some of the samples were reinforced with self-tapping screws, with the objective of preventing the mechanism of failure that dominated the behavior of joints without reinforcement, changing the way of forces and to assess the behavior of the joint.

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Simbologia

ix

Simbologia

Letras maiúsculas latinas

Ac Área de compressão

Aeff Área de influência de cada varão

Ares Área resistente dos varões

V Índice de ductilidade estático

F_d Força

F_T Força de tração

F₁ Componente da força que atua na superfície frontal do entalhe; componente da força que atua na superfície posterior do entalhe

F2 Componente da força que atua perpendicularmente em relação à superfície do entalhe; componente da força perpendicular a F1

F₃ Componente horizontal da força

F₄ Reação do apoio

H Força de compressão no lado da frente da respiga

N_d Força de cada varão

M_calc Momento de cálculo

Q Força de corte na perna

Rv,d Valor de cálculo da capacidade resistente por plano de corte e por ligador T_calc Força admitindo uma distribuição triangular de carga devido ao

esmagamento

V Força de compressão na superfície inferior do entalhe

Vsd Esforço transverso

Letras minúsculas latinas

bc Largura da chapa

b_i Largura do elemento i

d Comprimento da superfície comprimida posterior do entalhe; diâmetro

d_eq Diâmetro equivalente

du Deslocamento máximo

dy Deslocamento elástico

e Comprimento do entalhe

f_ad.k Resistência característica ao corte na interface de ligação

f_c,0,d Valor de cálculo da resistência à compressão na direcção das fibras

fc,90,d Valor de cálculo da resistência à compressão na direcção perpendicular às

fibras

f_c,α,d Valor de cálculo da resistência à compressão a um ângulo α em relação à

direcção das fibras

ft,0,d Valor de cálculo da resistência à tração na direcção das fibras

f_t,90,d Força de tração segundo a direção perpendicular à direção das fibras

fu Resistência à tração da chapa

fv,d Valor de cálculo da resistência ao corte f_y,k Resistência característica à tração do aço

hi Altura do elemento i

h_u Distância entre varões

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Simbologia

x

k_e Rigidez elástica

k_p Rigidez plástica

l Comprimento do plano de corte na direção das fibras

lad Comprimento de ancoragem

lc Comprimento da chapa

lv Comprimento do talão

nef Número efectivo de ligadores

t Altura do batente

tv Profundidade do entalhe

tx Distância entre a superfície inferior e ponto de carregamento

Letras minúsculas gregas

α Ângulo formado entre a direção da força e a direção das fibras

β Ângulo formado entre as linhas centrais dos elementos que constituem a ligação

ε Ângulo do entalhe

μi Coeficiente de atrito da superfície de contacto i

Siglas

EC5 Eurocódigo 5

FRP Polímeros reforçados com fibras

GFRP Polímeros reforçados com fibras de vidro LVDT Linear Voltage Differential Transducers

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Índice xi

Índice

Agradecimentos ... iii Resumo ... v Abstract ... vii Simbologia ... ix Índice ... xi Índice de figuras ... xv

Índice de tabelas ... xix

1. Introdução, motivação e organização ... 1

1.1.Introdução ... 1

1.2.Motivação e objetivos do trabalho ... 3

1.3.Organização do documento ... 3

2. Ligações tradicionais de madeira ... 5

2.1.Enquadramento histórico ... 6

2.2.Requisitos das ligações tradicionais ... 8

2.3.Tipologias de ligações tradicionais ... 9

2.3.1. Entalhes... 10 2.3.2. Cruzamentos ... 11 2.3.3. Empalmes ... 12 2.3.3.1. Empalmes à compressão ... 12 2.3.3.2. Empalmes à tração ... 13 2.3.4. Acoplamentos ... 14 2.4.Aplicações estruturais ... 14 2.4.1. Asnas de madeira ... 15 2.4.2. Paredes de madeira ... 20 2.4.3. Pontes de madeira ... 22

3. Dimensionamento de ligações tradicionais de madeira ... 25

3.1.Ligações tradicionais por entalhes ... 25

3.1.1. Dente simples e dente duplo ... 26

3.1.1.1. Disposição geométrica ... 26

3.1.1.1.1. Inclinação do entalhe ... 26

3.1.1.1.2. Profundidade do entalhe ... 29

(13)

Índice

xii

3.1.1.1.4. Dimensões e forma da respiga ... 31

3.1.1.2. Verificação da segurança ... 32

3.1.1.2.1. Anexo Nacional Holandês do Eurocódigo 5 ... 32

3.1.1.2.2. Norma Suíça SIA 265 (2012) e Espanhola DB-SE-M (2009) ... 34

3.1.1.2.3. Norma Alemã DIN 1052 (2005) ... 35

3.1.1.2.4. Thierry Descamps ... 37

3.1.1.2.5. Documento de aplicación del CTE (Martitegui et al.,2013a; Martitegui et al.,2013b) ... 39

3.1.2. Dente simples com respiga e mecha ... 43

3.1.3. Considerações finais ... 44

3.2.Cruzamentos... 49

3.2.1. Cauda de andorinha ... 49

3.2.1.2. Verificação de segurança ... 51

3.2.2. Meio fio de ponta ... 53

3.2.3. Cruz a meio fio ... 55

3.2.4. Meio fio de encontro ... 57

3.2.4.1. Disposição geométrica ... 58 3.2.4.2. Verificação de segurança ... 58 3.2.5. Ligação em rebaixo ... 59 3.2.5.1. Disposição geométrica ... 60 3.2.5.2. Verificação de segurança ... 60 3.3.Empalmes ... 61

3.3.1. União a meio fio ... 61

3.3.2. União com macho ... 64

3.3.3. União com respiga e mecha ... 65

(14)

Índice

xiii

3.3.4. União a meio fio com entalhe e entalhe a meia madeira ... 68

3.3.5. Entalhe com ângulo e batente a meia esquadria ... 71

4. Reforço de ligações tradicionais de madeira ... 75

4.1.Principais patologias que afetam a madeira ... 75

4.1.1. Ação de agentes patológicos ... 76

4.1.1.1. Fungos xilófagos ... 76

4.1.1.2. Insetos de ciclo larvar ... 77

4.1.1.2.1. Insetos sociais ... 78

4.1.1.2.2. Xilófagos marinhos ... 78

4.1.2. Ação de agentes abióticos ... 78

4.1.2.1. Agentes atmosféricos ... 79

4.1.2.2. Agentes químicos ... 79

4.1.2.3. Fogo ... 80

4.1.3. Anomalias estruturais ... 80

4.1.3.1. Ligações tradicionais de madeira ... 81

4.2.Intervenções de reparação e reforço das ligações tradicionais de madeira ... 83

4.2.1. Intervenções de reparação das ligações ... 85

4.2.2. Intervenções de reforço das ligações ... 86

4.2.2.1. Reforço de ligações tradicionais com entalhes ... 89

4.2.2.1.1. Reforço de ligações com respiga e mecha ... 96

4.2.2.1.2. Reforço de ligações de dente simples com respiga e mecha ... 99

4.2.2.2. Reforço de cruzamentos ... 101

4.2.2.3. Reforço de empalmes ... 105

5. Regras para reforço de ligações tradicionais de madeira ... 109

5.1.Ligações tradicionais com entalhes ... 110

5.2.Ligações com respiga e mecha ... 114

5.3.Cruzamentos ... 115

5.4.Empalmes ... 117

6. Programa experimental sobre ligações com dente simples ... 121

6.1.Caracterização da madeira e geometria da ligação ... 122

(15)

Índice

xiv

6.3.Soluções de reforço estudadas ... 124

6.4.Resultados dos ensaios ... 125

6.4.1. Avaliação das soluções reforçadas ... 129

6.4.2. Comparação dos valores teóricos e experimentais ... 133

6.5.Conclusão ... 134

7. Considerações finais e desenvolvimentos futuros ... 137

7.1.Considerações finais ... 137

7.2.Desenvolvimentos futuros... 140

(16)

Índice

xv

Índice de figuras

Figura 1 – Abrigos de madeira (120 000 a 40 000 a.C.) (Kuklík, 2008). ... 7 Figura 2 - Entalhes: a) Ligação com dente simples; b) Ligação com dente simples posterior; c) Ligação com dente duplo. ... 10 Figura 3 – Ligações tradicionais por entalhes: a) Ligação com respiga e mecha; b) Ligação com dente simples, respiga e mecha. ... 11 Figura 4 - Cruzamentos: a) Ligação de cauda de andorinha unilateral; b) Ligação de cauda de andorinha; c) Ligação cruz a meio fio; d) Ligação meio fio de encontro; e) Ligação meio fio de ponta. ... 11 Figura 5 - Ligação em rebaixo: a) reta b) oblíqua. ... 12 Figura 6 - Empalmes à compressão: a) União a meio fio; b) União a meio fio em viés; c) União com macho; d) União com respiga e mecha; e) União com dupla respiga e mecha. .... 13 Figura 7 - Empalmes à tração: a) União a meio fio; b) Entalhe com ângulo; c) União a meio fio com entalhe; d) Entalhe a meia madeira com batente; e) Entalhe com ângulo e batente a meia esquadria (dentada); f) Entalhe com ângulo e dois batentes a meia esquadria (dentada); g) União com respiga e mecha. ... 14 Figura 8 - Acoplamentos: a) Acoplamento com batentes; b) Acoplamento dentado. ... 14 Figura 9 – a) Asna simples reforçada com elementos metálicos; b) Asna composta reforçada com elementos metálicos (adaptado Appleton, 2008). ... 16 Figura 10 – Ligação linha-perna por meio de cruzamentos. ... 16 Figura 11 – Ligação linha-perna por meio de entalhes. ... 17 Figura 12 – Ligações tradicionais da ligação linha-perna: a) e b) ligações respiga e mecha; c) ligação cauda de andorinha (adaptado Jasienko et al.,2014). ... 17 Figura 13 – Ligações dos cumes da asna com recurso a entalhes (adaptado Jasienko et al.,2014). ... 18 Figura 14 – Ligações dos cumes da asna com recurso a cruzamentos (adaptado Jasienko et al.,2014). ... 18 Figura 15 – Empalmes de madeira para garantir a continuidade da linha (adaptado de Branco et al.,2008). ... 19 Figura 16 – Ligações de apoio da perna. ... 19 Figura 17 – Exemplos de construção de paredes em madeira: a) paredes de frontal pombalina construída em Lisboa (Poletti, 2013); b) Construção típica enxaimel em Sindelfinge, Baden-Württemberg, Alemanha (Poletti, 2013). ... 20 Figura 18 – Exemplos das ligações usadas nas paredes de frontal pombalina (Mascarenhas, 2004). ... 21 Figura 19 – Exemplos de ligações na construção de paredes em edifícios históricos na Polónia: a) cruzamentos; b) ligação com saliência cauda de andorinha (Jasienko et al., 2014). ... 21 Figura 20 – Ponte de Cesar de acordo com Palladio (Ritter, 1990). ... 22 Figura 21 – Exemplo de ligações tradicionais usadas na construção de uma ponte (Pierce et al., 2005). ... 23 Figura 22 - Ligações por entalhe: a) dente simples; b) dente simples posterior; c) dente duplo. ... 25 Figura 23 - Ângulo definido entre as fibras e a força de compressão axial. ... 27 Figura 24 - Ângulo definido entre as fibras e a força de compressão axial. ... 28 Figura 25 – Ligação de dente simples posterior com uma folga entre a face superior da linha e perna. ... 28 Figura 26 – Exemplos de ligações de dente simples posterior. ... 29 Figura 27 - Superfície de corte no talão. ... 30

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Índice

xvi

Figura 28 - Dente simples anterior com respiga e mecha. ... 31

Figura 29 - Esquema de distribuição das forças, segundo Anexo Nacional Holandês do EC5. ... 33

Figura 30 - Esquema de distribuição das forças, segundo a norma Suíça e Espanhola. ... 34

Figura 31 - Esquema de distribuição das forças, segundo a norma alemã DIN 1052 (2005). . 36

Figura 32 - Esquema de distribuição das forças (adaptado de Descamps1). ... 37

Figura 33 - Mecanismos de distribuição da força: a) dente simples; b) dente simples posterior (Descamps)... 38

Figura 34 - Mecanismo de rotura por compressão na linha: a) dente simples; b) dente simples posterior. ... 39

Figura 35 - Mecanismos de distribuição da força num dente simples. ... 40

Figura 36 - Distribuição das forças pelas superfícies dos entalhes num dente duplo. ... 41

Figura 37 - Distribuição das forças pelas superfícies dos entalhes num dente duplo com ângulos retos nos entalhes. ... 42

Figura 38 - Área de corte de uma ligação cuja linha tem maior largura (b2) do que a perna (b1). ... 43

Figura 39 - Configuração e mecanismo de distribuição das forças numa ligação de dente simples com respiga e mecha (adaptado de Branco et al.,2015)... 43

Figura 40 - Representação da ligação e respectivo modelo: a) ligação escora-pendural; b) ligação escora-perna; c) ligação perna-pendural. ... 47

Figura 41- Comparação da valor fc, α, d segundo as diferentes normas, admitindo que fc, 0, d = 20 N/mm2; fc, 90, d = 2,5 N/mm2; kc, 90 = 2. ... 48

Figura 42 - Ligações de cauda de andorinha: a) unilateral; b) bilateral. ... 49

Figura 43 - Regras geométricas para a cauda de andorinha: a) unilateral; b) bilateral. ... 50

Figura 44 - Ligação de cauda de andorinha sujeita a esforços de tração, compressão ou corte. ... 51

Figura 45 - Modos de rotura da ligação cauda de andorinha: 1) corte na direção das fibras; 2) tração paralela às fibras; 3) tração perpendicular às fibras. ... 52

Figura 46 - Ligação meio fio de ponta. ... 53

Figura 47 - Ligação meio fio de ponta solicitada à compressão ou à tração. ... 55

Figura 48 - Ligação cruz a meio fio. ... 55

Figura 49 - Ligação cruz a meio fio com superfície dentada. ... 55

Figura 50 - Cruz a meio fio solicitada à compressão ou tração. ... 56

Figura 51 - Ligação meio fio de encontro. ... 57

Figura 52 - Mecanismo de distribuição das forças na ligação meio fio de encontro. ... 58

Figura 53 - a) Ligação em rebaixo; b) Ligação em rebaixo inclinada. ... 59

Figura 54 - Ligação em rebaixo solicitada à tração. ... 60

Figura 55 - Ligação de união a meio fio sujeita a esforços de: a) compressão (pilar); b) tração (tirante). ... 61

Figura 56 – União a meio fio sujeita a esforços transverso. ... 61

Figura 57 - União a meio fio sujeita a esforços de tração. ... 62

Figura 58 - União a meio fio sujeita a esforços de compressão. ... 63

Figura 59 – a) União com macho; b) União com macho falso. ... 63

Figura 60 - União com respiga e mecha sujeito a: a) esforços de compressão; b) esforços de tração. ... 65

Figura 61 - União com respiga e mecha sujeita a esforços de compressão. ... 66

Figura 62 - União com respiga e mecha sujeita a esforços de tração. ... 67

Figura 63 – União a meio fio com entalhe. ... 67

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Índice

xvii Figura 65 - Mecanismo de distribuição das forças na ligação da união a meio fio com entalhe.

... 70

Figura 66 - Entalhe com ângulo e batente a meia esquadria. ... 70

Figura 67 - Entalhe com ângulo e dois batentes a meia esquadria. ... 70

Figura 68 - Definição da geometria do entalhe com ângulo e batente a meia esquadria. (Montero, 1990). ... 71

Figura 69- Definição da geometria do entalhe com ângulo e com duplo batente a meia esquadria (Montero, 1990). ... 72

Figura 70 - Mecanismo de distribuição das forças na ligação de entalhe com ângulo e com batente a meia esquadria. ... 73

Figura 71 - Mecanismo de distribuição das forças na ligação de entalhe com ângulo e com duplo batente a meia esquadria. ... 73

Figura 72- Ataque da madeira por fungos xilófagos: a) podridão branda; b) podridão parda; c) podridão branca. ... 77

Figura 73- Secção de um elemento de madeira exposto ao fogo durante 30 minutos (Pereira, 2009). ... 80

Figura 74 - Intervenções de reparação das entregas com recurso a empalmes. ... 86

Figura 75 - Rigidificação de uma ligação originalmente semi-rígida (Piazza, 2004). ... 86

Figura 76 - Comportamento das ligações tradicionais de madeira definidas como um conjunto de molas equivalentes (Branco et al., 2015). ... 87

Figura 77 - Cunhas de madeira para colmatar as folgas: a) superfície frontal do entalhe; b) superfície mais longa do entalhe. ... 89

Figura 78 – Reforço de ligações com entalhe: a) parafusos auto-perfurantes; b) prótese de madeira aparafusada. ... 90

Figura 79 – Reforço de ligações com entalhes com braçadeira. ... 90

Figura 80 - Soluções de reforço: a) esquadro; b) varão interno; c) braçadeira rígida; d) braçadeira... 92

Figura 81 – Curvas médias de força-deslocamento de ligações não reforçadas e reforçadas, obtidas a partir de ensaios monotónicos (σc = 30MPa) (Branco, 2012). ... 93

Figura 82 – Reforço de ligações com entalhes com recurso a: a) varão interno; b) dois varões internos. ... 93

Figura 83 – Ligação com ângulo de abertura de 30º reforçada com: a) uma manta de CFRP de 10 cm; b) duas mantas de CFRP de 5 cm. ... 94

Figura 84 – Método adesivo: inserção de elementos de reforço. ... 95

Figura 85 – Reforço com aplicação de gussets... 96

Figura 86 - Modo de falha com pino de madeira (Harris et al., 2014). ... 96

Figura 87 - Teste de foto-elasticidade de uma ligação respiga e mecha: a) pino de madeira; b) pino de aço; c) sem pino (Jankowski et al., 2005). ... 97

Figura 88 – Adição de uma cavilha de encaixe na ligação. ... 98

Figura 89 – Reforço de uma ligação de respiga e mecha com recurso a braçadeira. ... 98

Figura 90 - Reforço de uma ligação de respiga e mecha com recurso a cabos de aço (Branco et al., 2015). ... 99

Figura 91 – Reforço por interposição de várias camadas de laminado de FRP. ... 99

Figura 92 - Comparação entre testes de dente simples e dente simples com respiga e mechas com teor em água de: a) 12%; b) 20% (Palma et al., 2007). ... 100

Figura 93 - Falha da respiga ao fechar o ângulo de inclinação (Palma, et al., 2007). ... 100 Figura 94 - Padrões de falha da ligação de dente simples com respiga e mecha são: a) colapso da ligação por compressão, com distribuição uniforme dos danos ao longo do comprimento de contacto (Feio et al., 2008; Feio et al., 2014); b) colapso da ligação por compressão, com

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Índice

xviii saliência para fora do plano (Feio et al., 2014); c) falha combinada em compressão e corte

paralelo às fibras na respiga (Feio et al., 2014). ... 101

Figura 95 – Identificação das zonas transportadoras de carga de uma ligação sujeitas a esforços de: a) tração; b) compressão. ... 102

Figura 96 - Ligação reforçadas com: a) chapas metálicas; b) mantas de GFRP. ... 102

Figura 97 - Ligação reforçadas com parafusos auto-perfurantes. ... 103

Figura 98 – Resultados força- deslocamento de ligações reforçadas (Poletti et al., 2014). ... 103

Figura 99 – Adição de um dente na superfície de entalhe da ligação a meio fio de ponta. ... 104

Figura 100 – Reforço ao corte com parafusos totalmente auto-perfurantes. ... 104

Figura 101 – Empalmes reforçados. ... 105

Figura 102 – Reforço de empalmes: a) parafusos auto-perfurantes; b) placas de metal. ... 106

Figura 103 – Empalmes reforçados por cintagem. ... 106

Figura 104 – Reforço ao corte de uma ligação com dente simples... 111

Figura 105 – Mecanismo de distribuição das forças num sistema de reforço com recurso a cabos de aço. ... 112

Figura 106 – A capacidade resistente do reforço das cavilhas afixadas na chapa paralela à perna mais capacidade resistente da madeira deve ser superior à força axial de compressão. ... 113

Figura 107 - Reforço da ligação com uma braçadeira em forma de U. ... 114

Figura 108 – Reforço com parafuso auto-perfurante inclinado em relação às fibras. ... 115

Figura 109 - Reforço da ligação com duas chapas metálicas em forma de T. ... 116

Figura 110 - Cauda de andorinha: a) modos de rotura; b) reforço com parafusos auto-perfurantes. ... 116

Figura 111 - Reforço da ligação com uma braçadeira em forma de U. ... 117

Figura 112 – Ligação sujeita a tensões perpendiculares às fibras com auto- perfurantes provocadas pelo esforço transverso: a) modo de rotura; b) reforço. ... 118

Figura 113 – Empalmes reforçados com varões de aço inseridos em negativos executados na ligação. ... 118

Figura 114 – Mecanismo de distribuição das forças. ... 120

Figura 115 – Definição dos parâmetros geométricos. ... 123

Figura 116 – Esquema de ensaio: a) Teste solicitado apenas à compressão; b) Teste solicitado à compressão e ao corte; c) Alçado do ensaio. ... 124

Figura 117 – Reforço das ligações tradicionais de dente simples com parafusos auto-perfurantes: a) ensaio 1; b) ensaio 4; c) ensaio 5. ... 125

Figura 118 - Curvas força-deslocamento obtidas nos ensaios monotónicos. ... 126

Figura 119 - Curvas força-deslocamento obtidas nos ensaios monotónicos. ... 126

Figura 120 – Aplicação da lei bi-linear à curva força-deslocamento. ... 128

Figura 121 – Ligação reforçada com 4 parafusos auto-perfurantes: a) gráfico força-deslocamento da ligação sem reforço e com reforço; b) modo de falha da ligação reforçada. ... 130

Figura 122 - Ligação reforçada com 2 parafusos auto-perfurantes: a) gráfico força-deslocamento da ligação sem reforço e com reforço; b) modo de falha da ligação reforçada. ... 131

Figura 123 - Ligação reforçada com 4 parafusos auto-perfurantes: a) gráfico força-deslocamento da ligação sem reforço e com reforço; b) modo de falha da ligação reforçada. ... 132

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Índice de tabelas

xix

Índice de tabelas

Tabela 1 - Definição da profundidade do entalhe de acordo com as diferentes normas: Suíça (SIA 265, 2012), Alemã (DIN 1052, 2005), Espanhola (DB-SE-M, 2009), Italiana (CNR-DT

206, 2007) e Holandesa (NEN 3852, 1973; NEN 6760, 2005). ... 29

Tabela 2 - Definição da profundidade do entalhe tv1. ... 30

Tabela 3 - Regras geométricas do comprimento do talão para dente duplo. ... 31

Tabela 4 - Equações de dimensionamento do dente simples e duplo, segundo Anexo Nacional Holandês do EC5 (NEN-EN 1995-1-1, 2013). ... 33

Tabela 5 - Regras Nacionais para a definição da geometria das ligações entalhadas. ... 45

Tabela 6 - Pré-dimensionamento da união a meio fio com entalhe definida por Martitegui et al. (2013a). ... 69

Tabela 7 – Valor de fad. k tendo em conta o comprimento de ancoragem. ... 119

Tabela 8 – Tipos de ensaios realizados no estudo experimental. ... 122

Tabela 9 - Parâmetros geométricos de cada ensaio, em mm. ... 123

Tabela 10 – Resultados dos ensaios experimentais. ... 127

Tabela 11 – Rigidez elástica (ke), rigidez pós-elástica (kp), deslocamento elástico (dy) deslocamento máximo (du) e índice de ductilidade estático (D) dos ensaios monotónicos. .. 129

Tabela 12 – Comparação da Rigidez elástica (ke), rigidez pós-elástica (kp), deslocamento elástico (dy) deslocamento máximo (du), índice de ductilidade estático (D) e capacidade de carga máxima (Fd,máx) dos ensaios monotónicos de ligações com e sem reforço. ... 132

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Reforço de ligações tradicionais de madeira

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Capítulo 1 – Introdução, Motivação e Organização

1

Capítulo 1

INTRODUÇÃO, MOTIVAÇÃO E ORGANIZAÇÃO

1.1. Introdução

Em termos históricos, a utilização da madeira, particularmente em estruturas, é rica e diversificada. Na Idade Média e ao longo dos séculos XVI, XVII e XVIII, o conhecimento adquirido sobre as características da madeira e sobre o comportamento das estruturas, permitiu realizar verdadeiras obras de arte, que vão desde as primeiras fortificações, aos edifícios religiosos e às habitações.

Nos dias de hoje, as novas construções em madeira surgem ao nível das coberturas de polidesportivos, salas de espetáculos e piscinas (Branco, 2003). E funcionam como um meio de divulgar as potencialidades estruturais, arquitectónicas e estéticas da madeira.

Em Portugal, o uso da madeira como elemento estrutural vem desde os primórdios dos tempos, dado que se trata de um material leve, fácil de manusear, sustentável e esteticamente aprazível. Contudo, hoje em dia, essas estruturas de madeira apresentam alguns problemas que resultam da falta de manutenção apropriada, dos defeitos de projecto e/ou construção, da decadência do material, da mudança de uso da construção, etc.

Os principais problemas de instabilidade, em estruturas de madeira, surgem nas ligações entre os elementos estruturais e representa uma taxa de incidência de 80% (Itany et al.,1984). Assim sendo, conclui-se que num projecto de estruturas de madeira, o aspeto mais crítico são

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2 as ligações entre elementos estruturais, dado que estão sujeitas a esforços e tensões localizadas e resulta na redução da resistência global da estrutura.

Ao longo dos tempos foram desenvolvidas diversas técnicas de ligações em madeira. Sendo que as ligações tradicionais de madeira-madeira tem evoluído até aos dias de hoje. Estas ligações inicialmente tinham apenas a função de travar a estrutura e não resistiam a esforços significativos. Contudo, com passar do tempo, foram surgindo ligações cada vez mais arrojadas e capazes de vencerem grandes vãos.

As ligações tradicionais de madeira transmitem os esforços por contacto direto e atrito. Sendo que, nos entalhes, o descarregamento dos elementos de compressão pode levar à desconexão da ligação e, em condições extremas, ao colapso da estrutura. Os ligadores metálicos, quando presentes, apenas desempenham a função de assegurar a ligação e impedir que esta se desloque para fora do plano da ligação.

Estas ligações foram construídas com base em conhecimentos empíricos, sem o apoio de conhecimentos experimentais e analíticos suficientes. Assim, em qualquer uma destas estruturas de madeira, não é possível garantir os níveis de segurança actualmente imposto, nem estabelecer com rigor a capacidade resistente das ligações (Parisi et al., 2008).

Portanto, a ideia de que as estruturas antigas são garantia de qualidade é errada, dado que estão associadas a um elevado grau de improviso, erros de dimensionamento e concepção, execuções com baixo rigor e inúmeras intervenções pontuais sem consideração dos níveis de segurança.

A falta de rigor na execução das ligações, associada à retração da madeira, leva à existência de folgas entre elementos que reduzem substancialmente a rigidez e resistência das ligações entre os elementos. Assim sendo, uma das formas de garantir a estabilidade da ligação é o uso de técnicas de reforço.

Tradicionalmente, o reforço das ligações é realizado através da adição de elementos metálicos (estribos, esquadros, varões, parafusos, etc.) ou de madeira, cuja função é garantir a funcionalidade da ligação sob condições incomuns, prevenir a degradação da resistência da ligação e evitar a perda de contacto entre os elementos ligados. Contudo, existem técnicas mais inovadoras que envolvem a aplicação de materiais compósitos, em particular os polímeros reforçados com fibras de vidro.

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3

1.2. Motivação e objetivos do trabalho

As técnicas de reforço das ligações tradicionais são baseadas em conhecimentos empíricos, dado que ainda não existem normas/regras para o seu dimensionamento, execução e monitorização. O reforço com bases heurísticas podem não ser totalmente eficazes e, em caso de actividade sísmica, podem ter efeitos colaterais devido ao aumento excessivo de força e rigidez (Parisi et al., 2008). Daí a necessidade, cada vez maior, de se investir numa investigação específica, de modo a compreender os mecanismos e factores que influenciam o comportamento global das ligações tradicionais de madeira.

Nos últimos anos, têm sido desenvolvidos algumas campanhas experimentais com vista a estudar e avaliar o comportamento das ligações tradicionais de madeira quando reforçadas com elementos metálicos ou materiais compósitos (Branco, 2012; Branco et al., 2008; Parisi et al., 2008; Poletti et al., 2014). No entanto, ainda não existem bases analíticas para o dimensionamento dessas soluções de reforço. Assim sendo, este trabalho visa colmatar a informação em falta no Eurocódigo 5 (EC5) no âmbito do reforço de ligações tradicionais em madeira. E tem como principais objetivos avaliar as principais anomalias existentes nas ligações, avaliar as técnicas de reforço comummente usadas no seu reforço e definir regras e modelos de dimensionamento do reforço de ligações, de forma a evitar intervenções excessivamente conservadoras, ao qual estão associadas custos exagerados.

1.3. Organização do documento

O presente documento encontra-se dividido em 7 capítulos, descrevendo-se em seguida o conteúdo de cada um deles.

O capítulo 1 apresenta a introdução, a motivação e os objetivos do trabalho.

No capítulo 2, apresenta uma revisão bibliográfica sobre as ligações tradicionais de madeira e divide-se em quatro subcapítulos. No primeiro é abordado o enquadramento histórico das estruturas de madeira e das ligações tradicionais, dado que a evolução das estruturas de madeira está intimamente relacionado com a evolução das ligações tradicionais. No segundo subcapítulo, são apresentados alguns dos requisitos associados às ligações tradicionais, para que estas possam garantir a estabilidade e segurança da estrutura. Por sua vez, no terceiro, são apresentadas as diferentes tipologias de ligações associadas aos quatro grupos de ligações

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4 tradicionais: entalhes, empalmes, cruzamentos e acoplamentos. Por fim, são apresentadas as aplicações das ligações tradicionais ao nível das diferentes estruturas de madeira.

No capítulo 3, tendo em conta as ligações tradicionais mais comuns, é apresentado para cada uma delas algumas regras geométricas e de dimensionamento para a sua conceção.

O capítulo 4 encontra-se dividido em dois subcapítulos. O primeiro referente às principais patologias que afetam a madeira, destacando-se as anomalias/problemas que atingem as ligações tradicionais de madeira. Por sua vez, no segundo subcapítulo são abordadas formas de intervir nas ligações, tendo em conta a necessidade de reparação ou reforço.

No capítulo 5 são apresentadas algumas regras para a conceção e dimensionamento de diferentes soluções de reforço, tendo em conta o problema que afeta a ligação.

O capítulo 6 aborda o programa experimental realizado em ligações tradicionais de dente simples ensaiadas à compressão. Também é apresentada uma análise do comportamento das ligações ao qual se fez variar o comprimento do talão e, posteriormente, das ligações reforçadas com parafusos auto-perfurantes. É ainda apresentada uma comparação entre os valores teóricos, referentes a normas e considerações de alguns autores, e valores experimentais.

Por último, no capítulo 7 são apresentadas todas as considerações finais sobre o trabalho efectuado ao longo da tese e alguns trabalhos futuros na perspectiva de dar continuidade ao estudo do reforço das ligações tradicionais de madeira.

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Capítulo 2 – Ligações tradicionais de madeira

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Capítulo 2

LIGAÇÕES TRADICIONAIS DE MADEIRA

No projeto de estruturas de madeira, as ligações entre elementos estruturais desempenham um papel muito importante e regulam a facilidade de manutenção, desempenho e durabilidade (Snow et al., 2006). As ligações correspondem a zonas críticas da estrutura dado que estão sujeitas a tensões localizadas pelo que requerem especial cuidado de modo a não por em causa a estabilidade global da estrutura. O desempenho das ligações é condicionado pela espécie da madeira, teor de água, qualidade de fabrico, existência de defeitos na madeira, entre outros fatores.

As ligações tradicionais de madeira transmitem os esforços por contacto direto e atrito entre as superfícies de contacto e/ou por meio de ligadores metálicos (por exemplo, parafusos, varões, braçadeiras, chapas de aço exteriores, etc.). Os ligadores metálicos, quando presentes, não transmitem diretamente os esforços, apenas permitem manter a funcionalidade da ligação sob ações horizontais, garantindo o desempenho da ligação quando sujeito a cargas cíclicas e impedindo que esta se desloque para fora do seu plano (Parisi et al., 2008). Em certos caso, e com o objetivo de aumentar a capacidade de carga da ligação, colocam-se ligadores metálicos de forma a reduzir as tensões instaladas nos elementos de madeira. No entanto, existem ligações em que apenas os ligadores metálicos garantem a transmissão de esforços.

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6 Nas estruturas de madeira, as ligações tradicionais de madeira são fundamentalmente um trabalho de carpintaria, pelo que a precisão de corte do entalhe é fundamental, tendo influência na rigidez e resistência da ligação. Contudo, em serviço, com o natural envelhecimento da madeira, é comum ocorrer deformação e retração dos elementos estruturais que compõem a ligação, o que influencia significativamente o comportamento da ligação.

No desenho das ligações tradicionais de madeira é necessário compreender o equilíbrio global da estrutura, identificar todas as zonas críticas e verificar a sua capacidade resistente (compressão, corte, entre outros) nas várias direcções, dado que a natureza da madeira é anisotrópica o que que faz com que o seu comportamento seja diferente de acordo com a direcção das fibras. Na direção perpendicular às fibras, a madeira apresenta baixa resistência e quando tracionada nesta direção, a rotura é frágil. Neste tipo de rotura as fibras tendem a separar-se, afetando a integridade estrutural da ligação.

No dimensionamento das ligações de madeira é necessário ter em conta as forças atuantes, rigidez da ligação e dos elementos, o modo de rotura, fatores ambientais (humidade e resistência ao fogo), excentricidade da ligação e repercussões que a ligação vai ter no material. O teor de água da madeira é um fator extremamente importante, uma vez que as variações de volume da madeira podem inviabilizar o comportamento da ligação.

Dependendo da natureza e nível das tensões atuantes, existe uma série de ligações tipo. Contudo, o bom funcionamento da ligação depende não só da tipologia, mas também da forma como a ligação é executada.

Neste capítulo, é abordada a forma como a evolução das estruturas em madeira influenciou também a evolução das ligações tradicionais, os requisitos das ligações (em termos de deformação plástica, rigidez, ductilidade e transmissão de esforços), os tipos de ligações tradicionais e respectivos grupos e, por fim, a aplicação dos diferentes tipos de ligações às estruturas.

2.1. Enquadramento histórico

Em termos históricos, a utilização da madeira para conceber estruturas de madeira, vem desde os primórdios da humanidade e, permitiu criar estruturas ricas e diversificadas. Associados à evolução das estruturas de madeira estão intimamente relacionados os tipos de ligação entre os diferentes elementos de madeira, de forma a permitir o desenvolvimento de estruturas mais complexas e de maiores dimensões, e as técnicas de trabalhar a madeira, o qual evolui de um

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7 processo manual e primitivo para um processo mecânico/industrializado hábil e moderno (Lourenço et al., 2012).

As primeiras estruturas de madeira surgem quando o homem primitivo (pré-história) decidiu edificar abrigos sob a forma de cabanas (Figura 1), no qual as varas inclinadas, com forma arredonda, eram dispostas de forma a cruzarem-se no topo e cravadas no solo. A utilização deste tipo de estrutura cria a necessidade de uma ligação para unir os elementos de madeira. Primeiramente, a ligação era efectuada com recurso a materiais fibrosos de origem vegetal (lianas, vimes) e posteriormente recorreu-se a tiras de pele de animais.

Figura 1 – Abrigos de madeira (120 000 a 40 000 a.C.) (Kuklík, 2008).

Contudo, a necessidade de criar estruturas mais resistente, associado ao desenvolvimento de ferramentas (Idade do Bronze) que permitiam a moldagem da madeira por parte do homem, levou ao aparecimento dos primeiros entalhes resultantes do uso de cortes para criar superfícies lisas, abandonando a configuração redonda dos troncos, e ao desenvolvimento do conhecimento acerca do comportamento dos elementos de madeira segundo a direcção das fibras.

As ligações por entalhes inicialmente concebidas tinham apenas a função de garantir o travamento da estrutura, transmitindo os esforços por contacto. Contudo, o desenvolvimento das ligações tradicionais e do conhecimento empírico sobre as características da madeira permitiu, entre a idade Média e os séculos seguintes, a criação de estruturas cada vez mais robustas. Sendo que a Idade Moderna esteve associada à construção em altura e à construção de paredes usando o processo de triangulação, usado para ligar elementos de madeira horizontais e verticais por meio de uma diagonal.

As ligações por entalhes evoluíram ao longo dos tempos, desde ligações primitivas, respiga e mecha, a ligações mais arrojadas, nomeadamente, dente simples, dente simples posterior e dente duplo. E representam, ainda hoje, uma das formas mais simples e eficazes de ligar dois elementos de madeira (Lourenço et al., 2012).

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8 As primeiras ligações de respiga e mecha foram encontradas na cidade do Castelo, em Radzim, século IX e X (Jasienko et al., 2014). Posteriormente, entre o século XIII e XVII, com o desenvolvimento das estruturas dos telhados, nomeadamente com os telhados góticos e cúpulas barrocas, houve a necessidade de usar novas ligações. Registando-se no século XIII, as primeiras casas de madeira cujos elementos eram ligados com recurso a ligações de respiga e mecha, reforçadas com cunhas de madeira, ligações com dente e cruzamentos, nomeadamente a cauda de andorinha. No século XVI, na Igreja de St. Jacob, em Torun, a estrutura do telhado incluía ligações de dente com respiga em forma de cauda de andorinha (Jasienko et al., 2014). Por sua vez, no século XVII, em Plymouth, foram encontradas na Harlow Old Fort House empalmes de elementos de madeira reutilizados (Sobon, 2002). Nos séculos seguintes, o foco centrou-se em estruturas de telhados com maior extensão e em forma de arco (Jasienko et al., 2011). O facto de serem necessários vários elementos de madeira, levou à necessidade de usar várias ligações, surgindo assim a necessidade de recorrer a cavilhas metálicas para garantir a ligação dos elementos e estabilidade da estrutura.

Mais tarde, com o aperfeiçoar das técnicas e com a necessidade de reforçar as ligações existentes e melhorar a rigidez e a resistência, surgem novas ligações a partir das existentes (ex. dente simples dá origem ao dente simples com respiga e mecha; o empalme a meio fio com entalhe dá origem ao empalme a meia madeira, etc).

Com a revolução Industrial, que teve início no século XVIII, inicia-se o uso das ligações metálicas na materialização de estruturas de madeira. Abandonando-se assim o uso das ligações tradicionais, muito por estas exigirem mão-de-obra minuciosa e demorada, ao contrário das ligações metálicas que permitem uma rápida execução.

Atualmente, as estruturas de madeira voltam a estar em voga, não só na construção nova como na reabilitação de estruturas existentes.

2.2. Requisitos das ligações tradicionais

Nas construções em madeira, a ductilidade da estrutura, que corresponde à capacidade desta se deformar sem reduzir substancialmente a sua resistência sísmica (Branco, 2008), é garantida pela deformação plástica das ligações.

A madeira possui, em geral, um comportamento frágil, principalmente em tracção perpendicular e corte paralelo às fibras, o que condiciona o desempenho mecânico das ligações. Contudo, a ductilidade das ligações tradicionais pode ser assegurada através da

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9 utilização de elementos metálicos, aumentando a capacidade de redistribuição de esforços e a criação de novos caminhos de carga. Além disso, os elementos metálicos também previnem possíveis inversões de esforços, que correspondem a uma limitação na utilização de ligações tradicionais, pois geralmente só acomodam esforços num determinado sentido.

Ehlbeck e Kromer (1995) afirmam que “as ligações são normalmente modeladas como ligações perfeitas ou, onde uma rigidez de rotação é necessária para equilíbrio, uma transmissão de momento é assumida por completo”. Na prática, as ligações tradicionais de madeira raramente se modelam e quando isso acontece, assume-se as ligações como rígidas ou rotuladas (Branco et al., 2015). Contudo, na presença de cargas assimétricas (vento, neve, sismo), a rigidez das ligações podem desempenhar um papel condicionante.

A suposição de ligações rígidas é conservadora, uma vez que as deformações e as resistências máximas são menores daquelas que realmente se verificam. Na realidade, nas antigas estruturas de madeira, as ligações apresentam ductilidade permitindo rotação.

A concentração de tensões nas superfícies dos entalhes das ligações tradicionais leva a que se gerem modos de rotura por compressão, corte e tração. Como os elementos de madeira possuem um comportamento frágil, é ao nível das ligações que se pretende que haja dissipação de energia através do seu comportamento plástico (Cruz et al., 2006). A dissipação de energia aliada às deformações que antecedem a rotura, estão associados a modos de rotura com elevada ductilidade. Esta situação é a mais desejável, uma vez que os modos de rotura funcionam como sinal de alerta do estado da estrutura.

2.3.

Tipologias de ligações tradicionais

As estruturas históricas de madeira são constituídas por vários tipos de ligações, que resultam da experiência e conhecimento adquirido ao longo do tempo. Estas ligações tradicionais apresentam diversas tipologias, que variam de região para região, podendo ser classificadas de acordo com a geometria dos elementos ligados e o modo como ocorre a transmissão de esforços. Assim sendo, existem quatro grupos de ligações tradicionais: entalhes, cruzamentos, empalmes e acoplamentos.

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10 Atendendo à diversidade de ligações existentes e ao facto de algumas delas resultarem do aperfeiçoamento das ligações tipo, apenas serão apresentadas e estudadas as principais tipologias de ligações.

2.3.1. Entalhes

O entalhe corresponde à união de dois ou mais elementos de madeira em ângulo. Neste tipo de ligação as forças de compressão são transmitidas por contacto na superfície do entalhe. A superfície de entalhe forma um sulco em forma de “V”, chamado dente, que se desenvolve ao longo de toda a largura da peça (não há enfraquecimento da secção). Dependo da forma do entalhe, é possível classificar o entalhe em dente simples, executado na parte posterior ou anterior da interface entre os elementos, dente duplo ou ligação com respiga e mecha (Figura 2).

Figura 2 - Entalhes: a) Ligação com dente simples; b) Ligação com dente simples posterior; c) Ligação com dente duplo.

A ligação com respiga e mecha é formada por duas componentes: a respiga e a mecha (furo de encaixe) (ver Figura 3). Um dos elementos de madeira possui na extremidade uma respiga prismática que é inserida num orifício, que se encontra no outro elemento, com a forma correspondente (mecha). Este tipo de ligação é usado quando os elementos adjacentes se ligam formando um ângulo entre 45 ° a 90 °.

Neste tipo de ligação, a respiga é acrescentada à superfície do entalhe com o objetivo de garantir uma perfeita conexão entre elementos e prevenir deslocamentos laterais para fora do plano da ligação. Contudo, as forças de compressão continuam a ser transmitidas por contacto na superfície do entalhe.

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11 Figura 3 – Ligações tradicionais por entalhes: a) Ligação com respiga e mecha; b) Ligação

com dente simples, respiga e mecha.

2.3.2. Cruzamentos

O cruzamento corresponde à união de dois elementos de madeira, normalmente com a mesma espessura. O material é removido de cada um dos elementos e a aglutinação é plana de forma a garantir um encaixe perfeito (Figura 4). Este tipo de ligações são usadas para transmitir esforços de tração ou compressão. Além disso, existe a possibilidade de serem usadas para transmitir esforços transversos em tetos, paredes e coberturas.

Figura 4 - Cruzamentos: a) Ligação de cauda de andorinha unilateral; b) Ligação de cauda de andorinha; c) Ligação cruz a meio fio; d) Ligação meio fio de encontro; e) Ligação meio fio

de ponta.

A ligação em rebaixo é formada por três elementos de madeira: dois laterais e um central (Figura 5). Sendo que o elemento central tem algumas reentrâncias e um calcanhar, que

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12 permitem tensões de tracção através de compressões e tensões tangenciais. Os pinos de madeira ou cavilhas, neste tipo de ligação, impedem que os elementos se desliguem uns dos outros.

Figura 5 - Ligação em rebaixo: a) reta b) oblíqua.

2.3.3. Empalmes

O empalme corresponde à união das extremidades de dois elementos de madeira, cujo objetivo é aumentar o comprimento do elemento no sentido longitudinal. Assim sendo, este tipo de ligação é usado quando os elementos de madeira não têm o comprimento necessário. Esta técnica permite obter um conjunto com elevado comprimento e boa resistência mecânica. Alguns empalmes possuem um sistema de encaixe que garante uma perfeita união entre os elementos, evitando que estes deslizem. Além disso, também são usados pinos de madeira, ou ligadores metálicos, para ajustar e aumentar o desempenho do conjunto.

Os empalmes variam na forma e inclinação do entalhe. E, em alguns casos, resultaram das tentativas de fortalecer as ligações existentes, isto é, por exemplo, o entalhe com ângulo corresponde a uma forma de melhorar o comportamento da união a meio fio, dado que menos material é removido de cada um dos elementos e o entalhe deixa de formar um ângulo reto (Branco et al., 2015) (ver Figura 7. a) e b)).

2.3.3.1. Empalmes à compressão

O empalme à compressão é uma ligação projetada para transmitir apenas forças de compressão (ver Figura 6). Neste tipo de ligações, a transmissão de esforços é realizada através de tensões de compressão entre as superfícies de contacto e o deslizamento é impedido pelo encaixe entre os elementos e, em alguns casos, devido ao uso de ligadores metálicos ou pinos de madeira.

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13 Figura 6 - Empalmes à compressão: a) União a meio fio; b) União a meio fio em viés; c) União com macho; d) União com respiga e mecha; e) União com dupla respiga e mecha.

2.3.3.2. Empalme à tração

Empalme à tração é uma ligação cujo conjunto está submetido a forças de tração. Por vezes, este tipo de ligação requer o uso de pinos de madeira (ver Figura 7.g)) ou acessórios metálicos (ver Figura 7.a); b); c); e); f)), a fim de garantir uma boa rigidez à flexão e evitar a mobilidade transversal dos elementos de madeira.

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2.3.4. Acoplamentos

O acoplamento corresponde à junção lateral ou sobreposição de dois ou mais elementos de madeira, permitindo aumentar a sua secção transversal (Figura 8). As superfícies de contacto de ambos os elementos devem ser exatamente iguais, de modo a garantir uma perfeita união.

Figura 8 - Acoplamentos: a) Acoplamento com batentes; b) Acoplamento dentado.

2.4. Aplicações estruturais

A construção tradicional em Portugal, com recurso a ligações tradicionais de madeira, é comum nas asnas de madeira e nas paredes de frontal Pombalinas. Atualmente, com a Figura 7 - Empalmes à tração: a) União a meio fio; b) Entalhe com ângulo; c) União a meio

fio com entalhe; d) Entalhe a meia madeira com batente; e) Entalhe com ângulo e batente a meia esquadria (dentada); f) Entalhe com ângulo e dois batentes a meia esquadria (dentada);

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15 afirmação do betão armado, as paredes em madeira deixaram de estar em voga. No entanto, as coberturas com asnas de madeira ainda são frequentes.

O mesmo se verifica, de um modo geral, a nível mundial, estendendo-se a sua aplicação também ao nível das pontes e passadiços de madeira.

2.4.1. Asnas de madeira

Em Portugal, tal como em outros países, é comum encontrar-se edifícios históricos cuja cobertura tem como alicerce asnas de madeira.

As asnas, apesar de serem utilizadas desde a antiguidade (homem primitivo), a sua configuração estrutural apenas surge no século IV com base nas técnicas romanas usadas nas igrejas cristãs. Contudo, só a partir do Renascimento Italiano, com a criação da asna de Palladio (asna simples), é que ficou definida a configuração estrutural da asna que melhor se adapta à estrutura da cobertura (Branco, 2008). O facto de a asna ser definida por um sistema estático levou a que, quando comparada com outras asnas tipo, esta apresentasse melhores condições de segurança estrutural.

Ao longo do tempo verificou-se uma evolução, de região para região, na configuração estrutural, nas dimensões (secções transversais mais reduzidas) e no tipo de ligações utilizadas. Esta evolução surge do aprofundar do conhecimento empírico do comportamento estrutural das asnas e da evolução da tecnologia, ao qual está associado o refinamento na concepção das ligações. Contudo, consoante a capacidade de carga e os vão a vencer, existem diferentes tipos de asnas, mais ou menos complexas, que se podem utilizar (Branco, 2008). De entre os vários tipos de asnas que se encontram em serviço, em Portugal, as mais comuns são: asna simples (ver Figura 9.a)) e asna composta (ver Figura 9.b)) (Branco et al., 2008). Ambas se caracterizam pela sua forma triangular e simétrica, no entanto é a extensão que define o tipo de asna a usar. A asna simples usa-se para vãos até 7-8 metros e é constituída por uma linha, sobre a qual assentam duas pernas inclinadas, que formam a pendente da cobertura (em Portugal, a pendente varia entre 20° e 30° (Branco et al., 2006a)), um elemento vertical- o pendural - e duas escoras, que ligam o pendural e as pernas. Para vãos maiores, cerca de 13-14 metros, utiliza-se a asna composta. Neste tipo de asna, surge a necessidade de incluir escoras, para permitir pernas com maiores comprimentos, e tirantes, para resistirem à componente de tração que surge na ligação escora-linha (Branco et al., 2008).

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16 Figura 9 – a) Asna simples reforçada com elementos metálicos; b) Asna composta reforçada

com elementos metálicos (adaptado Appleton, 2008).

As ligações executadas para unir os vários elementos que compõem as asnas, foram entre o século XIII e XIX, essencialmente realizadas por meio de entalhes. Contudo, com a descoberta do aço, os elementos metálicos passaram a ser utilizados para melhorar o contacto entre os elementos ligados, corrigir erros de execução e neutralizar inversões de esforços causadas por cargas assimétricas.

A forma como os elementos se ligavam dependia do seu posicionamento. A ligação linha-perna, que corresponde à ligação mais carregadas de uma asna, era constituída por ligações de dente simples, quando a linha possuía talão com comprimento suficiente, ou dente simples anterior, quando a linha e a perna se encontravam. Nas situações em que a ligação linha-perna era mais solicitada era utilizado o dente duplo. Contudo, em alguns casos, em que a perna se estende para além da linha, a linha ligava à perna por meio de cruzamentos (Figura 10) ou entalhes (ver Figura 11), podendo conter respiga e mecha.

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17 Figura 11– Ligação linha-perna por meio de entalhes.

Nos telhados de Igrejas Românicas e Góticas, eram usados outros tipos de ligações de respiga e mecha (Igreja em Niedermending e Catedral em Constance) e cauda de andorinha (Igreja em Szydłów do século XIV) (Figura 12).

Figura 12 – Ligações tradicionais da ligação linha-perna: a) e b) ligações respiga e mecha; c) ligação cauda de andorinha (adaptado Jasienko et al.,2014).

Nos cumes das asnas, para prevenir o deslocamento dos elementos a ligar e garantir a transferência de esforços axiais, usavam-se ligação com respiga e mecha ou com dente (ver Figura 13), ou cruzamentos (ver Figura 14), nos casos em que os elementos têm dimensões reduzidas.

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18 Figura 13 – Ligações dos cumes da asna com recurso a entalhes (adaptado Jasienko et

al.,2014).

Figura 14 – Ligações dos cumes da asna com recurso a cruzamentos (adaptado Jasienko et al.,2014).

Com a evolução da configuração das asnas, também foram evoluindo a forma como os elementos eram ligados, tornando-se comum o uso de entalhes de dente simples, dente simples posterior ou dente duplo, com ou sem respiga.

Os empalmes de madeira, desde a antiguidade (arquitectura Renascentista Italiana) até aos dias de hoje, são utilizados para garantir a continuidade da linha (ver Figura 15).

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19 Figura 15 – Empalmes de madeira para garantir a continuidade da linha (adaptado de Branco

et al.,2008).

O sistema estrutural sob a qual a asna apoia influencia o projeto total da estrutura (Sobon, 2002). Em edifícios com paredes de alvenaria ou madeira, a linha apoia-se sobre a viga. Contudo, quando a perna se estende para além da linha, a perna liga-se à viga por meio de entalhes, aos quais se adiciona ligadores para fixar a ligação (Figura 16).

Figura 16 – Ligações de apoio da perna.

As espécies de madeira que comummente são utilizadas nas coberturas em Portugal são o Pinho Bravo (Pinus pinaster, Ait.), o Castanho (Castanea sativa, Miller), o Carvalho (Quercus robur, L.) e o Eucalipto (Eucalyptus globulus, Labill) (Branco, 2012). O castanho, por ser mais durável, está essencialmente presente nas construções nobres antigas, nomeadamente igrejas e mosteiros. Por sua vez, o eucalipto e o Pinho bravo, por razões de disponibilidade e económicas, é comum na construção corrente a partir de meadas do século XIX.

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2.4.2. Paredes de madeira

A aplicação de madeira em paredes é sobretudo relevantes em paredes de frontal pombalina. Na construção tradicional, as paredes de frontal pombalina tem sido usada desde os tempos mais antigos (desde o Império Romano, em Itália) e representa o património cultural de muitos países, não só onde existe actividade sísmica (Portugal, Itália, Grécia), mas também em países com abundância de madeira (Alemanha, Inglaterra, Escandinávia) (Poletti, 2013) (Figura 17). Podendo ainda ser encontrados em alvenaria armada na Áustria, Hungria, Polónia, Albânia, Roménia, Suíça, Jugoslávia e Macedónia (Poletti, 2013).

Figura 17 – Exemplos de construção de paredes em madeira: a) paredes de frontal pombalina construída em Lisboa (Poletti, 2013); b) Construção típica enxaimel em Sindelfinge,

Baden-Württemberg, Alemanha (Poletti, 2013).

Em Portugal, a construção pombalina surgiu como uma forma de acelerar o processo de reconstrução da cidade de Lisboa, na sequência do terramoto de 1755, e garantir a resistência sísmica dos edifícios.

As paredes de frontal pombalina são constituídas por um reticulado de elementos de madeira (prumos, travessas e diagonais), com um enchimento de pedras ou fragmentos de alvenaria, ligados por argamassa de cal. O reticulado em madeira, principal elemento de suporte de carga da parede, apresenta um bom comportamento aos esforços de tração e compressão, além de apresentar uma boa capacidade de dissipação de energia. Por sua vez, os restantes componentes permitem o confinamento da estrutura.

Os elementos de madeira são ligados através de entalhes (ver Figura 18) ou por pregos ou elementos metálicos. De acordo com Poletti (2013), as ligações tradicionais usadas para ligar

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21 os elementos que constituem a parede variam significativamente, sendo as mais comuns a ligação com respiga e mecha, a ligação cruz a meio fio e a ligação de cauda de andorinha.

Figura 18 – Exemplos das ligações usadas nas paredes de frontal pombalina (Mascarenhas, 2004).

A madeira comummente utilizada na construção das paredes de frontal pombalina é: o Pinho, o Carvalho, o Castanho, o Sobro e o Azinho (Machado et al., 2009).

Em edifícios históricos da Polónia (século XV e XVI), nomeadamente nas áreas rurais e nas pequenas cidades, é comum a construção de paredes de madeira (Jasienko et al., 2014). Estas paredes eram constituídas por elementos de madeira sobrepostos com ligações nos cantos esquerdos. As ligações que eram usadas na execução destas paredes eram ligações de cruzamento (Figura 19. a)). Também era comum a existência de ligações com saliências o que tornava os cantos estaticamente fortes (Figura 19. b)).

Figura 19 – Exemplos de ligações na construção de paredes em edifícios históricos na Polónia: a) cruzamentos; b) ligação com saliência cauda de andorinha (Jasienko et al., 2014).

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2.4.3. Pontes de madeira

O uso da madeira na construção de pontes vem desde os tempos mais antigos (período neolítico). Contudo, a primeira aproximação à configuração estrutural de uma ponte surge no Império Romano e a sua estrutura consistia numa série de vigas (transversais e longitudinais) e estacas inclinadas, que se ligavam por meio de entalhes de modo a garantir a sua rápida montagem e desmontagem (Figura 20) (Ritter, 1990).

Figura 20 – Ponte de Cesar de acordo com Palladio (Ritter, 1990).

Durante a Idade média até ao século XVIII, o qual coincidiu com um período focado no desenvolvimento de obras públicas, a evolução do conhecimento influenciou a concepção e a construção de pontes em madeira e levou aos primeiros arcos, treliças e pontes com cobertura em madeira (Ponte Schaffhausen (1758), Rio Reno).

O século XIX esteve associado à crescente necessidade de obras públicas e sistemas de transporte, resultantes da revolução industrial, o que levou à sofisticação no uso da madeira em pontes, verificando-se uma larga aplicação dos arcos e treliças nas pontes e vãos com maiores dimensões.

No início do século XX, com o desenvolvimento da indústria do aço e a popularidade do betão armado, a madeira deixa de ser o material fundamental na construção de pontes. No entanto, os avanços tecnológicos, os tratamentos preservativos e a origem da madeira de lamelado colado, permitiram colmatar algumas das limitações ao uso da madeira no que se refere às dimensões dos elementos e à sua deterioração quando exposta a agentes biológicos, e atraíram o uso da madeira novamente nas pontes, nomeadamente nos Estados Unidos, no Canadá, na Inglaterra, no Japão e na Austrália.

Existem diversos tipos e configurações de pontes em madeira, no qual umas resultaram da evolução de projetos anteriormente desenvolvidos, enquanto outras resultaram da inovação estrutural e dos avanços tecnológicos do projeto e fabricação da madeira (Ritter, 1990). A